DE112004001360T5 - Acoustic transducer - Google Patents
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Abstract
Akustischer
Messwandler zur Messung einer Eigenschaft eines Fluids, welcher
umfaßt:
einen
akustischen Pulsgenerator;
eine Impedanzanpassungsschicht zwischen
dem Impulsgenerator und dem Fluid, wobei die Anpassungsschicht aus
einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit gebildet ist; und ein
thermisches Managementsystem, das an der Anpassungsschicht angebracht
ist, um von derselben Wärme
abzuführen,
wobei das Managementsystem aus einem Material mit einer gegenüber der
Anpassungsschicht hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet und derart längs der
Anpassungsschicht angeordnet ist, daß von dem thermischen Managementsystem
eine erhebliche Wärmemenge
an die Umgebung abgegeben wird, und zwar ohne einen übermäßigen Temperaturanstieg
am Pulsgenerator.Acoustic transducer for measuring a property of a fluid comprising:
an acoustic pulse generator;
an impedance matching layer between the pulse generator and the fluid, wherein the matching layer is formed of a low thermal conductivity material; and a thermal management system attached to the matching layer for dissipating heat therefrom, wherein the management system is formed of a material having a high thermal conductivity opposite to the matching layer and disposed along the matching layer such that a significant amount of heat from the thermal management system arrives the environment is released without excessive temperature rise at the pulse generator.
Description
ErfindungsgebietTHE iNVENTION field
Die vorliegende Erfindung betrifft akustische Messwandler, einschließlich solcher, die in Durchflussmessern verwendet werden.The The present invention relates to acoustic transducers, including such which are used in flow meters.
Die Übertragung
von Pulsen akustischer Energie durch ein Fluid ist zur Messung des
Zustands und der Eigenschaften eines Fluids nützlich, speziell der Geschwindigkeit
und der Temperatur. In akustischen Messwandlern werden allgemein
piezokeramische Elemente zur Erzeugung von ultrasonischen akustischen Pulsen
oder kontinuierlichen Wellenfeldern verwendet. Diese Keramiken verlieren
jedoch Polarisation, wenn sie Temperaturen ausgesetzt werden, die
ihren halben Curiepunkt überschreiten.
Für kommerziell
verfügbare Keramiken
begrenzt dies die Betriebstemperatur der Keramik auf unter 200°C. Um in
Fluiden oberhalb dieser Temperatur zu arbeiten, besteht ein Verfahren
darin, eine Puffer- oder Verzögerungslinie
zwischen dem piezokeramischen Element und dem Fluid (z. B. Abgas
oder Auspuffgas) vorzusehen, wie in
Für das in
Ein mit existierenden Puffersystemen verbundener Nachteil besteht darin, daß ein kurzer Puffer Probleme hat, wenn er mit heißen Fluiden arbeitet, während dann, wenn der Puffer länger gemacht wird, es erforderlich ist, daß der Puffer die Wellenfront in der gewünschten Richtung führt. Feste Puffer scheitern jedoch beim effektiven Führen des akustischen Pulses, was zu einem dispersiven Puffer führt, der den ultrasonischen Puls verzerrt und die Nützlichkeit des Durchflussmessers begrenzt.One The disadvantage associated with existing buffer systems is that the existence short buffer has problems when working with hot fluids while then if the buffer is longer is made, it is necessary that the buffer is the wavefront in the desired Direction leads. However, fixed buffers fail to effectively carry the acoustic pulse, resulting in a dispersive buffer, which is the ultrasound pulse distorted and usefulness limited the flow meter.
Zusätzliche Hintergrundinformationen können in den U.S.Patenten Nr. 5 756 360, 4 336 719, 5 217 018, 5 159 838, 6 343 511, 5 241 287, 4 743 870,5 438 999, 4 297 607 und 6 307 302 gefunden werden.additional Background information can in U.S. Patent Nos. 5,756,360; 4,336,719; 5,217,018; 5,159,838; 6,343,511, 5,241,287, 4,743,870.5, 438,999, 4,297,607 and 6,307,302 being found.
Aus den vorgenannten Gründen besteht ein Bedarf an einem verbesserten akustischen Messwandler.Out the above reasons There is a need for an improved acoustic transducer.
Zusammenfassung der ErfindungSummary the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen akustischen Messwandler zu schaffen, der einen gegen Wärme abgeschirmten akustischen Anpassungskoppler mit integraler Kühlung umfasst.It It is an object of the present invention to provide an acoustic transducer to create one against heat includes shielded acoustic matching coupler with integral cooling.
Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein akustischer Messwandler geschaffen. Der Messwandler umfasst einen akustischen Pulsgenerator, eine Impedanzanpassungsschicht und ein thermisches Managementsystem. Der akustische Messwandler dient zur Messung einer Fluideigenschaft. Die Impedanzanpassungsschicht befindet sich zwischen dem Pulsgenerator und dem Fluid. Die Anpassungsschicht ist aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit gebildet. Das thermische Managementsystem ist an der Anpassungsschicht angebracht, um Wärme von der Anpassungsschicht zu übertragen. Das thermische Managementsystem ist aus einem Material mit einer gegenüber der Anpassungsschicht hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet. Das thermische Managementsystem ist derart längs der Anpassungsschicht angeordnet, daß von dem thermischen Managementsystem ohne einen übermäßigen Temperaturanstieg am Pulsgenerator eine erhebliche Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird.In the practice of the present invention, an acoustic transducer is provided. The transducer includes an acoustic pulse generator, an impedance matching layer, and a thermal management system. The acoustic transducer is used to measure a fluid property. The impedance matching layer is located between the pulse generator and the fluid. The adaptation layer is made of a material with low thermal conductivity. The thermal management system is attached to the matching layer to transfer heat from the matching layer. The thermal management system is formed of a material having a high thermal conductivity with respect to the matching layer. The thermal management system is arranged along the matching layer such that a significant amount of heat is released to the environment from the thermal management system without excessive temperature rise at the pulse generator.
Der akustische Pulsgenerator ist vorzugsweise ein piezokeramisches Element zur Erzeugung eines ultrasonischen Pulses. Ein Impedanzanpassungsschicht-Typ eines Puffers ist einem traditionellen Puffer ähnlich, besitzt jedoch eine reduzierte Länge bis zu dem Punkt, wo wandernde Wellen nicht länger vorhanden sind und die mit Wellenleitern verbundenen Probleme keine Rolle spielen. Anders ausgedrückt, die Impedanzanpassungsschicht ist von einer Dicke, die klein genug ist, daß sich stehende Wellen bilden. Vorzugsweise ist der Pulsgenerator derart konfiguriert, daß er bei einer bestimmten Frequenz arbeitet, und die Anpassungsschicht besitzt eine Dicke, die einem ungeraden Vielfachen der Viertelwellenlänge (λ/4, 3λ/4, 5λ/4, ...) des Schalls in der Anpassungsschicht für die bestimmte Frequenz des Pulsgenerators näherungsweise gleich ist. Vorzugsweise ist die thermische Leitfähigkeit der Anpassungsschicht kleiner als 15 W/(m.K). Noch bevorzugter ist eine thermische Leitfähigkeit der Anpassungsschicht kleiner als 1W/(m.K). Die Anpassungsschicht kann aus Silika, vorzugsweise aus geschäumter Silika, hergestellt sein. Natürlich können alternativ Keramiken oder andere Materialien als Anpassungsschicht verwendet werden. Bei Herstellung der Anpassungsschicht aus einem leichtgewichtigen Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit, das gegen Korrosion resistenter als der Körper des Messwandlers ist, wird eine metallische Dichtungsschicht nicht benötigt und die Anpassungsschicht kann in direktem Kontakt mit dem Fluid stehen, das gerade gemessen wird, oder eine leichte bzw. dünne anti-reflektive Oberflächenbeschichtung aufweisen.Of the Acoustic pulse generator is preferably a piezoceramic element for generating an ultrasound pulse. An impedance matching layer type a buffer is similar to a traditional buffer but has one reduced length to the point where migratory waves are no longer present and the problems associated with waveguides do not matter. Different expressed the impedance matching layer is of a thickness small enough is that yourself form standing waves. Preferably, the pulse generator is such configured that he works at a certain frequency, and the adjustment layer has a thickness that is an odd multiple of the quarter wavelength (λ / 4, 3λ / 4, 5λ / 4, ...) of the sound in the adaptation layer for the particular frequency of the Pulse generator approximately is equal to. Preferably, the thermal conductivity the matching layer is less than 15 W / (m.K). Even more preferred a thermal conductivity the matching layer is less than 1W / (m.K). The adjustment layer may be made of silica, preferably of foamed silica. Naturally can alternatively ceramics or other materials as an adaptation layer be used. When making the matching layer of a lightweight material with low thermal conductivity, that is more resistant to corrosion than the body of the transducer, a metallic sealing layer is not needed and the matching layer can be in direct contact with the fluid being measured is, or a light or thin anti-reflective surface coating exhibit.
Das thermische Managementsystem kann bezüglich seines Materials und seiner Konfiguration variieren, vorausgesetzt, daß von dem thermischen Managementsystem eine erhebliche Wärmemenge in die Umgebung übertragen wird, und zwar ohne übermäßige Temperaturerhöhung am Pulsgenerator. Vorzugsweise beträgt die thermische Leitfähigkeit des thermischen Managementsystems zumindest 15 W/(m.K). Noch bevorzugter beträgt die thermische Leitfähigkeit des thermischen Managementsystems zumindest 100 W/(m.K). Das bevorzugte thermische Managementsystem umfasst eine Mehrzahl von am Halter angebrachten Finnen, um Wärme niedrig auf dem Körper des Anpassers zu verteilen.The thermal management system can regarding its material and its configuration vary, provided that of the Thermal management system transfer a significant amount of heat into the environment is, without excessive temperature increase on Pulse generator. Preferably the thermal conductivity of the thermal management system at least 15 W / (m.K). Even more preferable is the thermal conductivity of the thermal management system at least 100 W / (m.K). The preferred one thermal management system includes a plurality of on the holder attached fins to heat low on the body to distribute the adapter.
Während des Betriebs erstrecken sich zumindest ein Teil der Seiten der Anpassungsschicht und die Spitze der Anpassungsschicht in das Fluid hinein, das gerade gemessen wird. Bei einer bevorzugten Ausführung ist das thermische Managementsystem derart angeordnet, dass es den Teil der Seiten der Anpassungsschicht von der Hitze des Fluids isoliert, während die Spitze der Anpassungsschicht in Kontakt mit dem Fluid gelassen wird. Dies kann durch Isolierung des Teils der Seiten der Anpassungsschicht mittels eines Luftspalts erreicht werden, der vom thermischen Managementsystem gebildet wird. Schließlich umfasst bei der bevorzugten Anwendung das thermische Managementsystem eine Hülse über der Anpassungsschicht, um Wärme von der Anpassungsschicht zu übertragen.During the In operation, at least a portion of the sides of the adaptation layer extend and the tip of the matching layer into the fluid, straight is measured. In a preferred embodiment, the thermal management system is arranged so that it is the part of the sides of the matching layer isolated from the heat of the fluid while the top of the matching layer is left in contact with the fluid. This can be done by isolation reaches the part of the sides of the matching layer by means of an air gap which is formed by the thermal management system. Finally includes in the preferred application, the thermal management system Sleeve over the Adjustment layer to heat from to transfer the adaptation layer.
Ferner wird bei der Ausführung der Erfindung ein akustischer Messwandler in Kombination mit einer Einrichtung geschaffen, die eine Leitung umfaßt, durch die ein Fluid strömt. Die Kombination benutzt verschiedene der oben beschriebenen Merkmale. Die Einrichtung kann eine Vorrichtung zum Probenehmen oder Testen von Abgas bzw. Auspuffgas sein.Further will be in the execution The invention relates to an acoustic transducer in combination with a device created, comprising a conduit through which a fluid flows. The Combination uses various of the features described above. The device may include a device for sampling or testing be exhaust gas or exhaust gas.
Ferner wird bei der Ausführung der Erfindung ein Probeentnahmesystem geschaffen. Das System umfaßt einen Fluideinlaß für die Aufnahme eines Fluids, einen Verdünnungseinlaß zur Aufnahme eines Verdünnungsgases, einen Mischabschnitt für die Mischung zumindest eines Teils des Fluids mit dem Verdünnungsgas, und einen Sammelabschnitt für das Sammeln einer Probe der Mischung. Das System umfaßt ferner einen Durchflussmesser zur Messung eines mit dem Probensystem verbundenen Durchflusses. Der Durchflußmesser umfaßt einen akustischen Messwandler zur Messung des Durchflusses. Der Messwandler benutzt verschiedene oben beschriebene Merkmale. Bei einer Anordnung umfaßt der Durchflussmesser ein Paar akustischer Messwandler, die zur Messung des Durchflusses einander gegenüberliegend in einer Leitung angeordnet sind, durch die das Fluid fließt.Further will be in the execution invention provides a sampling system. The system includes a Fluid inlet for intake a fluid, a dilution inlet for receiving a diluent gas, a mixing section for the mixture of at least part of the fluid with the diluent gas, and a collection section for the Collect a sample of the mixture. The system further includes a flow meter for measuring a connected to the sample system Flow. The flowmeter comprises an acoustic transducer for measuring the flow. Of the Instrument transformer uses various features described above. at an arrangement The flow meter uses a pair of acoustic transducers for measurement the flow opposite each other are arranged in a conduit through which the fluid flows.
Ferner wird bei der Ausführung der Erfindung ein Probeentnahmesystem geschaffen. Das System umfaßt eine Probenentnahmelinie zur Entnahme von Proben eines Fluids aus einer Hauptleitung, und einen Durchflussmesser zur Messung eines Durchflusses des Fluids durch die Hauptleitung. Der Durchflussmesser umfaßt einen akustischen Messwandler zur Messung des Durchflusses. Das System umfaßt ferner einen Verdünnungseinlaß zur Aufnahme eines Verdünnungsgases, einen Mischabschnitt für die Mischung des Fluidflusses von der Probenentnahmelinie mit dem Verdünnungsgas in einem generell fixierten Verhältnis, und einen Sammelabschnitt zur Probenkontrolle der Mischung. Die Mischung wird in zeitlichen Abständen bzw. mit einer Geschwindigkeit geprüft, die dem Durchfluß des Fluids durch die Hauptleitung generell proportional ist. Der Messwandler verwendet verschiedene der oben beschriebenen Merkmale. Bei einer Anordnung umfaßt der Durchflußmesser ein Paar akustischer Messwandler, die einander gegenüberliegend in der Hauptleitung angeordnet sind.Further, in the practice of the invention, a sampling system is provided. The system includes a sampling line for taking samples of a fluid from a main conduit, and a flowmeter for measuring a flow of the fluid through the main conduit. The flowmeter includes an acoustic transducer for measuring the flow. The system further includes a ver a dilution inlet for receiving a diluent gas, a mixing section for mixing the fluid flow from the sampling line with the diluent gas in a generally fixed ratio, and a sample control collection section of the mixture. The mixture is tested at intervals or at a rate generally proportional to the flow of fluid through the main conduit. The transducer uses various of the features described above. In one arrangement, the flowmeter comprises a pair of acoustic transducers disposed opposite one another in the main conduit.
Die mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbundenen Vorteile sind zahlreich. Beispielsweise schaffen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen akustischen Messwandler, der einen gegen Wärme abgeschirmten akustischen Anpassungskoppler mit integraler Kühlung umfaßt, wobei die Anpassungsschicht ein an ihr angebrachtes thermisches Managementsystem besitzt, derart, daß vom thermischen Managementsystem erhebliche Wärme an die Umgebung übertragen wird, und zwar ohne übermäßige Temperaturerhöhung am Pulsgenerator.The with the embodiments The advantages associated with the present invention are numerous. For example, preferred embodiments of the present invention provide Invention an acoustic transducer, the shielded against heat Includes acoustic matching coupler with integral cooling, wherein the matching layer has attached to her thermal management system, such that the thermal Management system considerable heat transferred to the environment is, without excessive temperature increase on Pulse generator.
Die obige Aufgabe und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Einzelbeschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offenbar.The The above object and other objects, features and advantages of the present Invention will be apparent from the following detailed description of the preferred embodiment in conjunction with the attached Drawings apparently.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings
Einzelbeschreibung der bevorzugten AusführungsformSingle Description the preferred embodiment
Die
Hülse
Es
wird gewürdigt,
daß die
Anpassungsschicht aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit
und das thermische Managementsystem aus einem Material mit hoher
thermischer Leitfähigkeit
gebildet werden, wobei die letztere längs der Anpassungsschicht derart
angeordnet wird, daß eine
erhebliche Wärme von
den Finnen
Eine
Probenentnahmelinie
Während Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, daß diese Ausführungsbeispiele alle möglichen Formen der Erfindung verdeutlichen und beschreiben sollen. Vielmehr sind die in den vorliegenden Unterlagen verwendeten Worte solche der Beschreibung und nicht solche der Beschränkung und es versteht sich, daß vielfache Änderungen vorgenommen werden können, ohne sich vom Geist und vom Schutzbereich der Erfindung zu entfernen.During embodiments The invention has been shown and described, it is not intended that this embodiments all possible Illustrate and describe forms of the invention. Much more the words used in these documents are those the description and not those of limitation and it is understood that many changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Ein
akustischer Messwandler (
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